JP2016073112A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気電池の利便性を向上する電源装置を提供する。【解決手段】電源装置１０は、二次電池１２ａと、マグネシウム又はマグネシウム合金を含む負極を備える積層型又は巻回型の空気電池と、空気電池にて発電された電力を二次電池に蓄電する充放電制御部とを備える。二次電池は、リチウムイオン二次電池で、ニッケル、コバルトおよびマンガンを含有するリチウム複合酸化物を含む正極を備え、チタン酸リチウムを含む負極を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関する。詳しくは、空気電池を備える電源装置に関する。

近年では、我が国が電池分野において国際的に主導的な役割を果たすことが期待されており、次世代電池の開発が活発になされている。例えば、次世代電池として、空気電池などの開発が進められている。

空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を使う電池である。この空気電池はさまざまな金属で研究がなされている。空気電池として、例えば、負極に環境安全性に優れているマグネシウムを使用したものがある（例えば、特許文献１参照）。この空気電池の利便性を向上することが期待されている。

特開２０１２−２３４７９９号公報

本発明の目的は、空気電池の利便性を向上できる電源装置を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明は、
二次電池と、
マグネシウムまたはマグネシウム合金を含む負極を備える積層型または巻回型の空気電池と、
空気電池にて発電された電力を二次電池に蓄電する充放電制御部と
を備える電源装置である。

以上説明したように、本発明によれば、空気電池の利便性を向上できる。

本発明の一実施形態に係る電源装置の一構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電源装置の一次電池の一構成例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電源装置の一次電池の一構成例を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電源装置の一次電池の一構成例を示す拡大断面図である。 本発明の一実施形態の変形例１に係る電源装置の一次電池の一構成例を示す拡大断面図である。 本発明の一実施形態の変形例２に係る電源装置の一構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態の変形例３に係る電源装置の一次電池の一構成例を示す斜視図である。

本発明の実施形態について図面を参照しながら以下の順序で説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。

［電源装置の構成］
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る電源装置１０は、第１の組電池１１と、第２の組電池１２、充放電制御部１３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４とを備える。また、電源装置１０は、正極端子１６ａおよび負極端子１６ｂを備えている。これらの正極端子１６ａおよび負極端子１６ｂは、電子機器１５の正極端子および負極端子に接続されたケーブルに対して着脱自在に構成されている。電子機器１５は、例えば、直流（ＤＣ）を電源とするものである。

（第１、第２の組電池）
第１の組電池１１は、複数の一次電池１１ａを直列および／または並列に接続して構成されている。第２の組電池１２は、複数の二次電池１２ａを直列および／または並列に接続して構成されている。図１では、６つの一次電池１１ａが２並列３直列（２Ｐ３Ｓ）に接続された例が示されている。また、４つの二次電池１２ａが２並列２直列（２Ｐ２Ｓ）に接続された例が示されている。

（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、第１の組電池１１の出力電圧を所定の一定電圧に電力変換し、充放電制御部１３に出力する。なお、電源装置１０が、ＤＣ／ＡＣコンバータを更に備え、交流（ＡＣ）を電源とする電子機器を駆動できるようにしても構わない。

（充放電制御部）
充電時には、充放電制御部１３は、第１の組電池１１から第２の組電池１２に対する充電を制御する。一方、放電時には、充放電制御部１３は、第２の組電池１２から電子機器１５に対する放電を制御する。

（二次電池）
二次電池１２ａとしては、非水電解質二次電池であるリチウムイオン二次電池を用いることが好ましい。リチウムイオン二次電池としては、高レート充電および／または高レート放電が可能なものを用いることが好ましい。高レート充電が可能なもとを用いることで、短時間で第２の組電池１２に蓄電することが可能となる。また、高レート放電が可能なもとを用いることで、高負荷の電子機器１５に対して電源装置１０を用いることができるようになる。

リチウムイオン二次電池は、巻回型および積層型のいずれのものであってもよい。リチウムイオン二次電池の形状としては、例えば、円筒状、扁平状、角型などが挙げられるが、これに限定されるものではない。

リチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、電解質と、セパレータとを備える。正極は、正極集電体と、正極活物質層とを備える。正極活物質層は、１種または２種以上の正極活物質を含んでいる。正極活物質としては、例えば、層状岩塩型の構造を有するリチウム複合酸化物、オリビン型の構造を有するリチウム複合リン酸塩、スピネル型の構造を有するリチウム複合酸化物などを用いることができる。高レートの充放電を可能とする観点からすると、正極活物質としては、ニッケル、コバルトおよびマンガンを含むリチウム複合酸化物を用いることが好ましい。

負極は、負極集電体と、負極活物質層とを備える。負極活物質層は、１種または２種以上の負極活物質を含んでいる。負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属材料などを用いることができる。高レートの充放電を可能とする観点からすると、負極活物質としては、チタン酸リチウムを用いることが好ましい。

電解質としては、例えば、電解液、ゲル電解質、固体電解質などを用いることができ、これらを２種以上組み合わせて用いてもよい。

（一次電池）
一次電池１１ａは、いわゆるマグネシウム空気電池であり、空気中の酸素を正極活物質（電子を受け取る物質）とし、マグネシウムを負極活物質（電子を放出する物質）とする。負極のマグネシウムは、電子を放出してマグネシウムイオンとなって電解液中に溶出する。一方、正極では、酸素と水が電子を受け取って水酸化物イオンとなる。電池全体で見ると、マグネシウム、酸素、および水から水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）₂）が生成することで両極間に起電力が発生する。正極および負極でのそれぞれの反応式は、以下の通りとなる。

正極：Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-→４ＯＨ^-
負極：２Ｍｇ→２Ｍｇ²⁺＋４ｅ^-
全体：２Ｍｇ＋Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ →２Ｍｇ（ＯＨ）₂↓

以下、図２、図３を参照して、一次電池１１ａの一構成例について説明する。一次電池１１ａは、筐体１２０と、この筐体１２０に収容された電池素子１１０とを備える。電池素子１１０は、積層型（スタック型）の電池素子であり、ほぼ直方体形状を有している。電池素子１１０の上面には正極端子１１０ａおよび負極端子１１０ｂを有し、その下面からは複数のセパレータ１１２が下方に向けて出されている。電池素子１１０の周面には、電池素子１１０の構成要素を束ねる１または２以上の帯状部材１１０ｃが設けられている。

筐体１２０は、直方体形状を有し、第１の筐体１３０と第２の筐体１４０とを備える。第１の筐体１３０は、いわゆる電解液槽であり、その内部に中空状の空間を有している。一次電池１１ａを発電させる際には、この空間内に電解液が供給される。第１の筐体１３０の上端には、矩形状の上面板１３１が設けられている。上面板１３１には、複数のスリット１３１ａが平行に設けられ、これらの複数のスリット１３１ａそれぞれに、電池素子１１０の下面から出された複数のセパレータ１１２が通されている。上面板１３１の周囲には低い周壁１３２が設けられている。上面板１３１に多数の孔部を設けて、電池素子１１０の下面側から電池素子１１０内に空気が供給されているようにしてもよい。

第２の筐体１４０の下端は開放されており、開放された下端側を第１の筐体１３０上に載置することで、第２の筐体１４０により電池素子１１０が覆われる。第２の筐体１４０の周壁の下端側の先端は、第１の筐体１３０の上面板１３１の周壁１３２の外側に嵌め込まれる。閉鎖された第２の筐体１４０の上面には、２つの孔部１４１ａ、１４１ｂが設けられている。これらの孔部１４１ａ、１４１ｂを介して、電池素子１１０の正極端子１１０ａおよび負極端子１１０ｂが外部に導出される。

第１、第２の筐体１３０、１４０は、例えばプラスチックにより構成されている。プラスチックは、可視光に対して透明性を有するもの、および不透明性を有するもののいずれであってもよいが、第２の筐体１４０内に供給した電解液の液量を視認可能とする観点からすると、透明性を有するものが好ましい。

図４に示すように、電池素子１１０は、負極１１１、セパレータ１１２、正極集電体１１３、セパレータ１１４を、この順序で繰り返し積層した構成を有している。この積層体は、１または２以上の帯状部材１１０ｃにより束ねられている。帯状部材１１０ｃは、例えばゴムのような弾性体、または高分子フィルムにより構成されている。

負極１１１、セパレータ１１２、１１４、正極集電体１１３は、矩形状を有している。電池素子１１０の高さ方向におけるセパレータ１１２の幅は、電池素子１１０の高さ方向における負極１１１、正極集電体１１３およびセパレータ１１４の幅よりも広く設定されている。負極１１１、セパレータ１１２、１１４および正極集電体１１３のうちセパレータ１１２のみが、電池素子１１０の下端からはみ出している。このセパレータ１１２のはみ出した部分が、スリット１２２ａを介して第２の筐体１４０に供給される電解液１１５に浸される。

以下、電池素子１１０を構成する負極１１１、正極集電体１１３、セパレータ１１２、１１４について順次説明する。

（負極）
負極１１１は、負極材（負極活物質）としてマグネシウム（Ｍｇ）またはマグネシウム合金を含んでいる。マグネシウム合金は、例えばマグネシウムを主成分とする合金、すなわちマグネシウムを５０重量％以上含有する合金である。マグネシウム合金としては、例えば、マグネシウムと、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素とを含むものが挙げられ、これらのうちでも特にマグネシウムとカルシウムとを含むもの、またはマグネシウムとカルシウムとアルミニウムとを含むものが好ましい。負極１１１の自己放電を抑制できるとともに、長期間に渡って安定的に電流を流すことができるからである。マグネシウム合金の具体例としては、Ｍｇ−Ｃａ系、Ｍｇ−Ａｌ系、Ｍｇ−Ｍｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ系、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系などの合金が挙げられるが、これらの材料に限定されるものではない。

負極１１１が、ナノポーラス構造またはメソポーラス構造などの多孔質構造を有していてもよい。必要に応じて、酸化還元電位が負極材よりも貴な金属を含む導体層を負極１１１の表面にさらに設けるようにしてもよい。これにより、電流集中や望ましくない位置における負極反応の進行を抑制し、負極材の脱落や欠損を抑制することができる。導体層は、例えば、負極１１１の表面のうちの少なくともセパレータ１１２に対向しない領域に設けられる。酸化還元電位が負極材よりも貴な金属としては、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、水銀（Ｈｇ）、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）などが挙げられる。

（正極集電体）
正極集電体１１３は、空気電極とも称される部材であり、正極材（正極活物質）としての空気中の酸素に電子を供給する役割を有している。正極集電体１１３の材料は、導電性を有する材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、活性炭、炭素繊維、カーボンフェルトなどの炭素質材料、鉄、銅などの金属材料等を用いることができる。正極集電体１１３の材料としては、空気中の酸素との接触面積が大きく集電効率に優れているという観点から、炭素粉末を用いることが特に好ましい。

（電解液）
電解液１１５は、負極１１１で発生したマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）を溶出させるともに、酸素と反応する水（Ｈ₂Ｏ）を正極集電体１１３に供給する役割を有している。電解液１１５としては、酸性、アルカリ性、あるいは中性の水溶液を用いることができる。例えば、水、塩化ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、および過炭酸ナトリウム水溶液からなる群から選ばれる少なくとも１つを用いることができる。また、フッ化物の水溶液、ハロゲンを含む水溶液、多価カルボン酸の水溶液などを用いることもできる。

（セパレータ）
セパレータ１１２、１１４は、負極１１１と正極集電体１１３との間に交互に配置されている。セパレータ１１２は、負極１１１と正極集電体１１３の間での短絡を防止するとともに、第１の筐体１３０に収容された電解液１１５を吸い上げて当該電解液１１５を保持する役割を有している。セパレータ１１２としては、例えば、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ガラス繊維、樹脂不織布、ガラス不織布、濾紙などを用いることができるが、これらの材料に特に制限されるものではない。

セパレータ１１４は、負極１１１と正極集電体１１３の間での短絡を防止するとともに、正極集電体１１３に空気（具体的には酸素）を供給する役割を有している。セパレータ１１４の材料としては、セパレータ１１２と同様のものを例示することができる。

正極集電体１１３に空気を効率良く供給する観点からすると、セパレータ１１４の空孔率は、セパレータ１１２のものよりも高いことが好ましい。また、上記と同様の観点から、セパレータ１１４の厚さは、セパレータ１１２のものよりも厚いことが好ましい。

［効果］
本発明の一実施形態に係る電源装置１０では、マグネシウム空気電池である一次電池１１ａで発電された電力が、充放電制御部１３の制御に基づき、リチウムイオン二次電池である二次電池１２ａに蓄電される。一般的には、マグネシウム空気電池は高レート放電が困難であるため、高負荷の装置の電源に用いることは難しい。しかしながら、上述のようにマグネシウム空気電池で発電した電力をリチウムイオン二次電池に一度蓄電することで、マグネシウム空気電池で発電した電力を高負荷の装置にも使用することが可能となる。このため、マグネシウム空気電池の利便性が向上する。

マグネシウム空気電池は、負荷に接続されていなくとも、自己放電により負極が消費されてしまうが、一実施形態に係る電源装置１０では、マグネシウム空気電池で電力を発電し、リチウムイオン二次電池に蓄電することができる。このため、ユーザは、マグネシウム空気電池の自己放電を気にせずに電源装置１０を用いることができる。

［変形例］
（変形例１）
図５に示すように、正極集電体１１３と負極１１１との間を微粒子１１６により離間させて、それらの間に空気層１１７を形成するようにしてもよい。微粒子１１６は絶縁性を有していればよく特に限定されるものではないが、例示するならば、シリカ、アルミナ、ジルコニアなどの無機微粒子、スチレン、アクリルなどの有機微粒子などが挙げられる。

（変形例２）
図６に示すように、電源装置１０が、１または２以上のキャパシタ１７をさらに備えるようにしてもよい。キャパシタ１７としては、第２の組電池１２を構成する二次電池１２ａよりも高レート充電および／または高レート放電が可能なものが好ましい。充放電制御部１３は、第１の組電池１１で発電した電力を、バッファとしての１または２以上のキャパシタ１７に一旦蓄電した後に、第２の組電池１２に蓄電する。また、充放電制御部１３は、第２の組電池１２に蓄電された電力を１または２以上のキャパシタ１７に一旦蓄電した後、電子機器１５に供給するようにしてもよい。

図６に示すように、電源装置１０が、ＤＣ／ＡＣインバータ１８、正極端子１９ａおよび負極端子１９ｂをさらに備えるようにしてもよい。正極端子１９ａおよび負極端子１９ｂは、電子機器２０の正極端子および負極端子に接続されたケーブルに対して着脱自在に構成されている。電子機器２０は、交流（ＡＣ）を電源とするものである。充放電制御部１３は、第２の組電池１２から電子機器２０に対する放電を制御する。

（変形例３）
上述の第１の実施形態では、一次電池として積層型（スタック型）のものを用いる場合を例として説明したが、巻回型のものを用いてもよい。以下、巻回型の一次電池の構成例について説明する。

図７に示すように、一次電池１１ｂは、筐体２２０と、この筐体２２０内に収容された電池素子２１０とを備える。電池素子２１０は、巻回型の電池素子であり、円筒形状を有している。電池素子２１０の上面には正極端子２１０ａおよび負極端子２１０ｂが設けられ、その下面からはセパレータ２１２が下方に向けて出されている。電池素子２１０の周面には、１または２以上の帯状部材２１０ｃが巻かれて、巻止されている。帯状部材２１０ｃは、例えばゴムのような弾性体、または高分子フィルムにより構成されている。

筐体２２０は、直方体形状を有し、第１の筐体２３０と第２の筐体２４０とを備える。第１の筐体２３０は、いわゆる電解液槽であり、上端が開放されている。一次電池１１ｂを発電させる際には、第１の筐体２３０に電解液が供給される。

第２の筐体２４０の下端は開放されており、開放された下端側から電池素子２１０が第２の筐体２４０内に収容される。第２の筐体２４０は、その内部に設けられた支持部材などにより、収容した電池素子２１０を第２の筐体２４０内の所定位置に保持可能に構成されている。閉鎖された第２の筐体２４０の上面には、２つの孔部２４１ａ、２４１ｂが設けられている。これらの孔部２４１ａ、２４１ｂを介して、電池素子２１０の正極端子２１０ａおよび負極端子２１０ｂが外部に導出される。

電池素子２１０は、負極、正極集電体、電解液を吸い上げて保持する役割のセパレータ（以下「第１のセパレータ」という。）、正極集電体に空気を供給する役割のセパレータ（以下「第２のセパレータ」という。）が帯状の形状を有すること、および負極、第１のセパレータ、正極集電体、第２のセパレータがこの順序で積層されて、巻回されていること以外は、第１の実施形態に係るものと同様である。

以上、本発明の実施形態およびその変形例について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述の実施形態およびその変形例において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。

また、上述の実施形態およびその変形例の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本発明の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。

１０ 電源装置
１１ 第１の組電池
１１ａ 一次電池
１２ 第２の組電池
１２ａ 二次電池
１３ 充放電制御部
１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ 電子機器
１７ キャパシタ
１１０、２１０ 電池素子
１１１ 負極
１１２、１１４ セパレータ
１１３ 正極集電体
１１５ 電解液
１１６ 微粒子
１１７ 空気層
１２０、２２０ 筐体

Claims (11)

1. 二次電池と、
   マグネシウムまたはマグネシウム合金を含む負極を備える積層型または巻回型の空気電池と、
   上記空気電池にて発電された電力を上記二次電池に蓄電する充放電制御部と
   を備える電源装置。
2. 上記二次電池は、リチウムイオン二次電池である請求項１に記載の電源装置。
3. 上記リチウムイオン二次電池は、ニッケル、コバルトおよびマンガンを含有するリチウム複合酸化物を含む正極を備える請求項２に記載の蓄電装置。
4. 上記リチウムイオン二次電池は、チタン酸リチウムを含む負極を備える請求項２または３に記載の蓄電装置。
5. 上記空気電池にて発電された電力を一次的に蓄電した後、上記非水電解質電池に供給するキャパシタをさらに備える請求項１から４のいずれかに記載の電源装置。
6. 上記空気電池の負極は、カルシウムをさらに含んでいる請求項１から５のいずれかに記載の蓄電装置。
7. 上記空気電池は、一端から出されたセパレータを備え、該セパレータの一端が電解液に浸される請求項１から６のいずれかに記載の電源装置。
8. 上記空気電池は、第１のセパレータと第２のセパレータとを備え、
   上記第１のセパレータが、上記空気電池の一端から出され、該第１のセパレータの一端が電解液に浸される請求項１から６のいずれかに記載の電源装置。
9. 上記第２のセパレータが、上記第１のセパレータよりも空孔率が高い請求項８に記載の電源装置。
10. 上記第２のセパレータが、上記第１のセパレータよりも厚い請求項８または９に記載の電源装置。
11. 上記空気電池は、透明な筐体に収容されている請求項１から９のいずれかに記載の電源装置。

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